[发明专利]基于双星能量插值原理的卫星重力反演方法无效
申请号: | 201110204206.2 | 申请日: | 2011-07-20 |
公开(公告)号: | CN102393535A | 公开(公告)日: | 2012-03-28 |
发明(设计)人: | 郑伟;许厚泽;熊熊;钟敏;刘成恕 | 申请(专利权)人: | 中国科学院测量与地球物理研究所 |
主分类号: | G01V7/00 | 分类号: | G01V7/00 |
代理公司: | 暂无信息 | 代理人: | 暂无信息 |
地址: | 430077 湖北*** | 国省代码: | 湖北;42 |
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摘要: | 本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域,提出一种基于双星能量插值原理的卫星重力反演方法。通过将星载K波段测量仪的高精度星间距离插值引入双星相对轨道动能项,进而建立双星能量插值观测方程,旨在精确和快速反演全球重力场。该方法卫星重力反演精度较高,观测方程物理含义明确,利于重力卫星系统误差分析,易于感测中高频重力场信号,计算机性能要求较低。由于可实质性提高120阶GRACE地球重力场的感测精度,因此本发明提出的双星能量插值法是建立高精度和高空间分辨率的新一代全球重力场模型的有效方法。 | ||
搜索关键词: | 基于 双星 能量 原理 卫星 重力 反演 方法 | ||
【主权项】:
1.一种基于双星能量插值原理的卫星重力反演方法,包含下列步骤:步骤一:对卫星观测数据进行预处理,具体包括:1.1)采集星载K波段测量仪得到的星间距离数据ρ12:基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则,剔除星间距离数据中存在的粗大误差;基于9阶Lagrange多项式,插值获得间断的星间距离数据;1.2)采集星载双频GPS接收机得到的卫星轨道数据,包括轨道位置r和轨道速度去除卫星轨道存在的重叠期,进行轨道数据的拼接;截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据;基于3σ准则即莱以特准则,剔除轨道数据中存在的粗大误差;1.3)采集星载加速度计得到的卫星非保守力数据f:基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则,剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差;基于9阶Lagrange多项式,插值获得间断的卫星非保守力数据;步骤二:基于双星能量插值原理反演全球重力场2.1)在地心惯性系中,建立卫星运动方程如下,r · · ( r , t ′ ) = F e ( r , t ′ ) + F T ( r , t ′ ) + f ( r , t ′ ) , - - - ( 1 ) ]]> 其中,表示卫星总加速度,r表示卫星的绝对位置矢量,t′表示观测时间;Fe(r,t′)表示地球的引力;FT(r,t′)表示三体摄动力;f(r,t′)表示作用于卫星的非保守力;在式(1)两边同时乘以轨道速度r · · r · · ( r , t ′ ) = r · · [ F e ( r , t ′ ) + F T ( r , t ′ ) ] + r · · f ( r , t ′ ) , - - - ( 2 ) ]]> 其中,Fe(r,t′)和FT(r,t′)可表示为F e ( T ) ( r , t ′ ) = ∂ V e ( T ) ∂ r , - - - ( 3 ) ]]> 其中,Ve=V0+Te表示地球引力位,表示地球中心引力位,GM表示地球质量M和万有引力常数G之积,表示卫星的地心半径,x,y,z表示位置矢量r的分量,Te表示扰动位;VT表示三体摄动能;Ve(T)对时间的一阶导数表示如下:dV e ( T ) dt ′ = ∂ V e ( T ) ∂ r · dr dt ′ + ∂ V e ( T ) ∂ t ′ · dt ′ dt ′ , - - - ( 4 ) ]]> 将式(3)代入式(4)中可得F e ( T ) ( r , t ′ ) · r · = dV e ( T ) dt ′ - ∂ V e ( T ) ∂ t ′ , - - - ( 5 ) ]]> 将式(5)代入式(2),并两边同时积分;在地心惯性系中,单星扰动位观测方程如下:Te=Ek-Ef+Vω-VT-V0-E0, (6)其中,表示卫星的动能;表示卫星的耗散能;V ω = ∫ ∂ ( V e + V T ) ∂ t ′ dt ′ ≈ - ω e ( x y · - y x · ) ]]> 表示卫星的位旋转能,ωe表示地球自转角速度,表示卫星轨道速度的3个分量;E0表示卫星系统的能量积分常数;据式(6),在地心惯性系中,双星扰动位差的观测方程建立如下:Te12=Ek12-Ef12+Vω12-VT12-V012-E012, (7)其中,Te12表示双星扰动位差T e 12 ( r 1 , θ 1 , λ 1 , r 2 , θ 2 , λ 2 ) = GM R e Σ l = 2 L Σ m = - l l { [ ( R e r 2 ) l + 1 Y ‾ lm ( θ 2 , λ 2 ) - ( R e r 1 ) l + 1 Y ‾ lm ( θ 1 , λ 1 ) ] C ‾ lm } ]]> 其中,Y ‾ l , m ( θ , λ ) = P ‾ l , | m | ( cos θ ) Q m ( λ ) , ]]>Q m ( λ ) = cos mλ m ≥ 0 sin | m | λ m < 0 ; ]]> r1(2),θ1(2),λ1(2)表示双星各自的地心半径、地心余纬度和地心经度,Re表示地球的平均半径;表示规格化的Legendre函数,其中l表示阶数,m表示次数;表示待求的规格化地球引力位系数;表示双星动能差,E f 12 = ∫ ( r · 2 · f 2 - r · 1 · f 1 ) dt ′ ]]> 表示双星耗散能差,V ω 12 = - ω e ( x 12 y · 2 - y 2 x · 12 - y 12 x · 1 + x 1 y · 12 ) ]]> 表示双星位旋转能差,VT12表示双星三体摄动能差,表示双星中心引力位差,E012表示双星能量积分常数差,可通过初始位置和速度计算得到;2.2)将GRACE卫星的K波段测量仪的精确星间距离数据ρ12引入到式(7)中的项Ek12,建立双星能量插值卫星观测方程;包括:在地心惯性坐标系中,基于Newton插值模型,单星轨道位置r的泰勒展开表示式,如下r ( t ) = r ( t 0 ) + Σ i = 1 n λ i Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ r ( t τ ) , - - - ( 8 ) ]]> 其中,表示二项式系数,t表示插值点的时间,t0表示插值点的初始时刻,Δt表示采样间隔,n表示插值点的个数;在式(8)两边同时对t求一阶导数,可得单星轨道速度的展开公式:r · ( t ) = Σ i = 1 n λ i ′ Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ r ( t τ ) . - - - ( 9 ) ]]> 基于式(9),双星轨道速度差的展开公式表示如下r · 12 ( t ) = Σ i = 1 n λ i ′ Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ r 12 ( t τ ) , - - - ( 10 ) ]]> 其中,r12=r2-r1和分别表示双星相对轨道位置矢量和相对轨道速度矢量,r1和r2分别表示双星绝对轨道位置矢量,和分别表示双星绝对轨道速度矢量;基于式(10),双星相对动能的展开公式表示如下:1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r · 12 ( t ) = Σ i = 1 n λ i ′ Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ 1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r 12 ( t τ ) , - - - ( 11 ) ]]> 其中,1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r 12 ( t τ ) ]]> 可被改写为:1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r 12 ( t τ ) = 1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · [ r 12 | | ( t τ ) + r 12 ⊥ ( t τ ) ] , - - - ( 12 ) ]]> 其中,表示r12的星星连线方向分量,e12=r12/|r12|表示由GRACE-A卫星指向GRACE-B卫星的单位矢量;表示r12的垂直于星星连线方向分量;使用GRACE卫星K波段测量仪的高精度星间距离ρ12e12来替换(r12·e12)e12;式(11)可改写为:1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r · ρ 12 ( t ) = Σ i = 1 n λ i ′ Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ 1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r ρ 12 ( t τ ) , - - - ( 13 ) ]]> 其中,rρ12(tτ)=ρ12(tτ)e12(tτ)+{r12(tτ)-[r12(tτ)e12(tτ)]e12(tτ)};因此,2点、4点、6点和8点星间距离插值公式表示如下r · ρ 12 ( t i ) = - 1 2 Δt [ r ρ 12 ( t i - 1 ) - r ρ 12 ( t i + 1 ) ] , - - - ( 14 ) ]]>r · ρ 12 ( t i ) = 1 12 Δt [ r ρ 12 ( t i - 2 ) - 8 r ρ 12 ( t i - 1 ) + 8 r ρ 12 ( t i + 1 ) - r ρ 12 ( t i + 2 ) ] , - - - ( 15 ) ]]>r · ρ 12 ( t i ) = - 1 60 Δt [ r ρ 12 ( t i - 3 ) - 9 r ρ 12 ( t i - 2 ) + 45 r ρ 12 ( t i - 1 ) , - - - ( 16 ) ]]>- 45 r ρ 12 ( t i + 1 ) + 9 r ρ 12 ( t i + 2 ) - r ρ 12 ( t i + 3 ) ] ]]>r · ρ 12 ( t i ) = 1 Δt [ 1 280 r ρ 12 ( t i - 4 ) - 4 105 r ρ 12 ( t i - 3 ) + 1 5 r ρ 12 ( t i - 2 ) - 4 5 r ρ 12 ( t i - 1 ) - - - ( 17 ) ]]>+ 4 5 r ρ 12 ( t i + 1 ) - 1 5 r ρ 12 ( t i + 2 ) + 4 105 r ρ 12 ( t i + 3 ) - 1 280 r ρ 12 ( t i + 4 ) ] ]]> 联合式(7)和式(13),双星能量插值观测方程表示如下Te12(t)=Eρ12(t)-Ef12(t)+Vω12(t)-VT12(t)-V012(t)-E012(t), (18)其中,E ρ 12 ( t ) = Σ i = 1 n λ i ′ Σ τ = 0 i ( - 1 ) i + τ i τ 1 2 [ r · 2 ( t ) + r · 1 ( t ) ] · r ρ 12 ( t τ ) ]]> 表示双星动能差,VT12(t)=VE12(t)+VS12(t)+VM12(t),VE12(t)表示双星地球固体潮汐能差,VS12(t)表示双星太阳引力位差,VM12(t)表示双星月球引力位差,Ef12表示双星耗散能差,Vω12表示双星位旋转能差,V012表示双星中心引力位差,E012表示双星能量积分常数差;2.3)基于2点、4点、6点和8点双星能量插值观测方程(18)分别反演120阶GRACE地球重力场。
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- 刘善伟;赵吉祥;万剑华;赵华刚;于晓东 - 中国石油大学(华东);山东天元信息技术股份有限公司
- 2018-10-25 - 2019-07-16 - G01V7/00
- 本发明公开了一种分形插值和网函数插值结合的卫星测高重力数据与船测重力数据融合方法,基本步骤为:利用网函数插值对卫星测高重力数据插值;计算插值结果与船测重力数据的差值;对差值进行聚类分析,将整体区域划分成多个子区域;在每个子区域各纵向和横向网格边上对差值进行分形插值,在子区域内部进行网函数插值,得到重力数据改正值;以重力数据改正值为中心,根据卫星测高重力值融合计算得到每个子区域数据融合产品,最终得到整个区域数据融合产品。本发明提供的方法科学合理,实现过程简单易懂,在对船测重力数据和卫星测高重力数据进行融合后能够得到高精度高分辨率的重力数据,同时充分保持了多源重力数据局部特征与整体特征相似性。
- 一种利用旋转液体测量重力加速度的装置及方法-201710024005.1
- 宋朋;吴思;赵猛 - 济南大学
- 2017-01-07 - 2019-07-02 - G01V7/00
- 本发明的一种利用旋转液体测量重力加速度的装置,包括固定底座,固定底座一端上方设置有可轴向转动的旋转平台,旋转平台顶部设置有可跟随旋转平台轴向转动的圆柱形的圆筒,圆筒顶部开有筒口,固定底座另一端上方竖直设置有立杆,立杆上设置有水平悬臂,水平悬臂末端转动连接有测量臂,测量臂末端平行设置有位于圆筒的筒口上方并可向圆筒内照射的激光器,水平悬臂上设置有用于检测测量臂与水平悬臂之间夹角的角度测量器,旋转平台上设置有转速测量装置。本发明的有益效果是:结构设计合理,采用角度规测量角度,避免了人眼误差,提高了实验数据的精确度。同时测量角度的方法使得实验操作更为简单方便。
- 一种液态金属微重力试验装置-201710524330.4
- 郑立聪;盛磊;张秀梅;陈志章;刘静 - 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司
- 2017-06-30 - 2019-07-02 - G01V7/00
- 本发明涉及试验装置技术领域,公开了一种液态金属微重力试验装置,包括:框架结构;设置在所述框架结构的底板的中心区域且内部盛有液态金属的透明容器;设置在所述框架结构的底板上并与所述透明容器呈间隔式设置的板体支撑结构,其中,所述板体支撑结构的上端面与所述框架结构的顶板的下表面紧密贴合;以及设置在所述板体支撑结构上的第一影像记录仪,其中,所述第一影像记录仪用以实时拍摄所述透明容器内的液态金属在微重力环境下的流体状态。该液态金属微重力试验装置具有准确拍摄液态金属在微重力环境下的流体状态的优点。
- 一种重磁数据处理方法及系统-201810743188.7
- 曾小牛;李夕海;刘继昊;康志谦;牛超 - 中国人民解放军火箭军工程大学
- 2018-07-09 - 2019-06-28 - G01V7/00
- 本发明公开了一种重磁数据处理方法及系统。所述方法及系统将重磁数据的去噪、填充和扩边这三个问题统一考虑,基于凸集投影方法同时实现了重磁数据的去噪、填充和扩边处理。所述方法及系统首先对原始重磁异常数据补零,并通过计算归一化径向平均功率谱来确定迭代过程最终的截止波数,然后对重磁数据进行去噪、填充和扩边迭代直至达到预定的迭代次数,获得处理后的重磁数据。本发明提供的方法及系统原理简单、操作方便、数据处理效率高,同时具有较高的去噪、填充精度,且填充和扩边的衔接处光滑无畸变,非常适合重磁数据的同时去噪和扩充。
- 一种基于非线性超导磁力弹簧的重力仪-201810468702.0
- 刘向东 - 华中科技大学
- 2018-05-16 - 2019-06-18 - G01V7/00
- 本发明公开一种基于非线性超导磁力弹簧的重力仪,包括:超导磁力弹簧振子和位移检测单元;超导磁力弹簧振子包括载流线圈和检验质量,载流线圈和检验质量的材料均为超导体,检验质量为带中间隔板的圆筒,中间隔板两端相对应位置均设置有载流线圈,载流线圈与检验质量之间的磁斥力平衡检验质量的重力,将检验质量进行磁悬浮;检验质量所受磁力和重力的合力具有恢复力的性质,载流线圈与检验质量共同构成垂向超导磁力弹簧振子,载流线圈与检验质量之间的磁斥力与二者之间的距离存在非线性关系;位移检测单元用于检测检验质量的位移,以检测重力仪所在环境的时变重力加速度。本发明在大幅度平台垂向振动的情况下仍然正常工作。
- 一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置-201611120894.3
- 胡忠坤;毛德凯;周敏康;段小春;邓小兵;罗覃 - 华中科技大学
- 2016-12-08 - 2019-06-18 - G01V7/00
- 本发明公开了一种基于双物质波源的原子干涉重力测量装置;属于原子干涉和重力勘测技术领域;包括:真空腔体,用于为原子蒸汽提供一个密封容器,并为冷原子的制备和操纵提供真空度为(10‑8~10‑7)Pa的真空环境。有两个冷原子团制备结构且位于干涉区的同一端;本发明结构紧凑,在地表工作环境中重心低,支撑简单,装置具有较好的稳定性;两个原子团在探测区真空腔中共用一个探测激光和光电探测器,减小了系统复杂度,抑制了共模探测误差;干涉在同一个细长形真空腔中完成,包裹磁场屏蔽材料方便;两个原子团之间没有冷原子制备结构,装置自吸引效应小,而且为附加引力源标定测量结果预留了空间。本装置只需要一套探测系统、磁场效应抑制好、量子投影噪声小。
- 三分量重力仪、勘探数据采集系统以及勘探数据采集方法-201910174822.4
- 余刚;何展翔;涂良成;刘骅锋;陈娟 - 中国石油天然气集团有限公司;中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司
- 2019-03-08 - 2019-06-11 - G01V7/00
- 本发明提供的一种三分量重力仪、勘探数据采集系统以及勘探数据采集方法,所述方法包括:将三分量重力仪下入井内;其中,所述三分量重力仪内设置有三分量姿态传感器;获取所述三分量重力仪所测量的三分量重力场;并在所述三分量重力仪测量所述三分量重力场时通过所述三分量姿态传感器测量三分量重力传感器的倾角、方位角和倾向;根据所述倾角、所述方位角和所述倾向计算所述三分量重力场的分量参数;根据所述三分量重力场的分量参数判断地层密度沿不同分量方向的变化或均匀性。本申请实施方式提供了一种能提高数据的准确性的三分量重力仪、勘探数据采集系统以及勘探数据采集方法。
- 一种陆地勘探数据的测量装置以及勘探数据的处理方法-201910175110.4
- 余刚;何展翔;涂良成;刘骅锋;王绪本 - 中国石油天然气集团有限公司;中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司
- 2019-03-08 - 2019-06-11 - G01V7/00
- 本发明提供了一种陆地勘探数据的测量装置以及勘探数据的处理方法,包括:重力仪和位于重力仪底部的平衡装置,平衡装置用于稳定重力仪;重力仪具有壳体结构,壳体内部安装有:三分量重力传感器、三分量姿态传感器和三分量磁力传感器;三分量重力传感器、三分量姿态传感器和三分量磁力传感器的位置不共线且至少三分量重力传感器、三分量姿态传感器和三分量磁力传感器中的两个传感器在同一水平面上;三分量重力传感器、三分量姿态传感器和三分量磁力传感器均与9通道32位模数转换、数据存储电路电性连接。本申请实施方式提供的一种陆地勘探数据的测量装置以及勘探数据的处理方法,能够对储层或矿物的密度与磁性参数进行定性或定量研究。
- 三分量重力梯度场、三分量磁力梯度场获取装置和方法-201910175121.2
- 余刚;何展翔;涂良成;刘骅锋;王绪本 - 中国石油天然气集团有限公司;中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司
- 2019-03-08 - 2019-06-11 - G01V7/00
- 本发明公开了一种三分量重力梯度场、三分量磁力梯度场获取装置和方法,其涉及地球物理勘探技术领域,装置包括:间隔预设距离的第一采集单元和第二采集单元,分别均包括:三分量重力采集装置,三分量磁场采集装置,三分量姿态采集装置;三分量重力梯度场及三分量磁力梯度场计算单元,其基于三分量重力采集装置采集的三分量重力数据、三分量磁场采集装置采集的三分量磁场数据等得到井下重力垂直梯度分量和/或井下重力水平梯度场的两个水平梯度分量、井下磁力垂直梯度分量和/或井下磁力水平梯度场的两个水平梯度分量。本申请能在井中水平地或者垂直地进行三分量重力和三分量磁场的测量,进而再进一步计算水平或垂直的重力梯度场和磁力梯度场。
- 一种斜杆悬挂式重力梯度仪-201610929391.4
- 吴书朝;周泽兵;张天翔;白彦峥;屈少波 - 华中科技大学
- 2016-10-31 - 2019-06-07 - G01V7/00
- 本发明公开了一种斜杆悬挂式重力梯度仪,包括探头、上检验质量、上斜杆、横杆、下斜杆、簧片、转台、电容位移传感模块、静电反馈模块和模数转换电路;簧片与横杆的中部刚性连接,上斜杆的一端与横杆的一端刚性连接;下斜杆的一端与横杆的另一端刚性连接;上斜杆的另一端连接上检验质量;下斜杆的另一端连接探头中的下检验质量;上斜杆与下斜杆平行设置,探头的控制端连接至静电反馈模块的输出端。本发明只需要一台仪器即可完成重力梯度变化的测量,斜杆整体呈中心对称结构,对地面振动不敏感,且上斜杆、下斜杆、下检验质量与极板相对的两面、上检验质量对应的两面、左极板、右极板相互平行,提高了机械灵敏度;通过改变斜杆与横杆所呈角度,可以分别测量重力梯度的对角线张量和全张量。
- 基于干涉原理的重力测量仪-201821477341.8
- 温晓东;李永超;付伯艳;宋秋艳 - 曲阜师范大学
- 2018-09-10 - 2019-05-24 - G01V7/00
- 本实用新型公开了一种基于干涉原理的重力测量仪,包括:光源、环形器、单模光纤、双芯光纤、托盘、光探测器、支架、弹簧以及高反膜;光源与尾纤一相连,尾纤二与单模光纤的一端相连,单模光纤的另一端连接双芯光纤的一端并固定在支架上,双芯光纤的另一端镀高反膜并连接托盘,弹簧固定在支架和托盘中间,光探测器与尾纤三相连。本实用新型的有益效果:降低了测量误差,提高了重力测量灵敏度。
- 一种重力仪-201821522089.8
- 高刚;王乾;季斌 - 上海市岩土地质研究院有限公司
- 2018-09-18 - 2019-05-17 - G01V7/00
- 本实用新型公开了一种重力仪,涉及重力加速度测量仪器领域,包括配重块,配重块一端开设有安置槽,安置槽内设置有本体,安置槽和本体之间设置有用于减轻外界震动传递的减震组件,配重块周侧滑移设置有挡套,挡套上铰接连接有提手。针对现有技术存在不便于携带使用的问题,本实用新型将本体减震设置于安置槽内,并利用挡套遮挡外界的风力,从而提高本体检测精度,再在挡套上铰接提手,本实用新型便于携带外出使用。
- 一种重力测量近区地改测量装置-201821739201.3
- 孙鹏飞;王艳楠;黄祥祥 - 河北工程大学
- 2018-10-25 - 2019-05-07 - G01V7/00
- 本实用新型提供一种重力测量近区地改测量装置,包括半圆刻度板、两个线圈和三个测量座、测量座包括底盘、水平杆、两个支架、圆管、等高杆和铅块,所述水平杆一端铰接与底盘上,另一端旋入一调平螺丝,通过调平螺丝支撑于所述底盘上,等高杆和铅块悬挂于圆管,形成摆钟结构,使得等高杆在始终垂直向上。本实用新型适用于1:5万以上大比例的重力测量进去地形改正。其地改精度非常高,同时兼顾不同尺寸半径的地形起伏改正。精确、快捷、造价低廉并且可以克服因为地表植被造成的地形改正不精确的特点以及现场读取地改值,避免造成二次计算误差。为高精度重力测量提供了一种可行的地改方法。
- 谐振式绝对重力测量装置-201821105524.7
- 肖剑峰;徐庆江 - 湖南科众兄弟科技有限公司
- 2018-07-12 - 2019-05-03 - G01V7/00
- 一种谐振式绝对重力测量装置,该装置包括单摆组件,其呈竖向设置于装置上部并以简谐振动方式进行摆动;电磁激励组件,其设置在所述单摆组件下部,用于对单摆组件施加同频率的电磁推动力,以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减;中间连接架,所述单摆组件下端和电磁激励组件上端分别与该中间连接架相连接;调平机构,其设置在所述电磁激励组件外侧下部,其底部支撑于地面,其顶部与所述中间连接架相连接;控制机构,其分别与所述单摆组件、电磁激励组件及调平机构相连接。本实用新型无需使用已知参考基站,能在短时间内直接测量重力场的绝对值,可在车载复杂环境下保障测量的精准性。
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